公鐵平層超寬鋼箱梁過塔方案設(shè)計(jì)與分析

王玉玨

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都610031

大跨斜拉橋主梁常采用鋼桁梁或鋼箱梁兩種結(jié)構(gòu)形式，與鋼桁梁主梁相比，鋼箱梁主梁截面整體性好，能夠承受更大的軸力，抗風(fēng)穩(wěn)定性和抗扭剛度好，方便制造及施工，后期養(yǎng)護(hù)維修方便，但是車道（線路）不能上、下分層布置，只能布置在同一平面上。對于公鐵兩用斜拉橋或其他車道（線路）數(shù)較多的斜拉橋，如采用整體鋼箱梁截面，由于所有車道、線路等只能布置在橋面位置，從而導(dǎo)致橋面較寬，在過塔位置橋塔下橫梁跨度較大，增加了橋塔下橫梁設(shè)計(jì)難度、施工難度和風(fēng)險(xiǎn)。

川南城際鐵路位于四川境內(nèi)，成渝經(jīng)濟(jì)圈腹地，連通內(nèi)江、自貢、宜賓和瀘州。宜賓臨港公鐵兩用長江大橋位于宜賓市臨港區(qū)，跨越長江，見圖1。

圖1 橋位示意

為節(jié)約通道資源和工程投資，橋上布置4線鐵路、6車道公路、人行道和非機(jī)動車道。該橋采用國內(nèi)首創(chuàng)公鐵平層設(shè)計(jì)，橋面寬度達(dá)63.9 m，設(shè)計(jì)時(shí)為世界上寬度及跨度第一的公鐵兩用鋼箱斜拉橋。由于橋面較寬，主梁過塔時(shí)會導(dǎo)致橋塔下橫梁跨度達(dá)80 m，且該橋下橫梁距承臺頂面高75 m，在如此高的位置施工大跨度下橫梁風(fēng)險(xiǎn)較高。因此，本文綜合考慮設(shè)計(jì)難度、施工風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)性等因素，選擇合理的主梁過塔方案，以減小過塔橋面寬度和下橫梁跨度。

1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路部分為4線客運(yùn)專線，采用有砟軌道，設(shè)計(jì)荷載為ZK荷載，設(shè)計(jì)速度300 km/h。采用川南城際鐵路外包渝昆高速鐵路的方式，線間距為（6.5+5.0+6.5）m。公路部分為雙向6車道的城市主干道，主線設(shè)計(jì)速度80 km/h，匝道設(shè)計(jì)速度小于等于40 km/h，城-A級荷載。

2 主梁過塔設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)概述

宜賓臨港公鐵兩用長江大橋全長1 742.49 m，主橋長1 075.2 m，采用雙索面整體式鋼箱梁斜拉橋，全橋孔跨布置為9×40.0 m（鐵路簡支梁或公路連續(xù)梁）+（72.5+203+522+203+72.5）m（主橋）+7×40.0 m（鐵路或公路連續(xù)梁），橋梁整體效果見圖2。

圖2 橋梁整體效果

國內(nèi)設(shè)計(jì)的公鐵兩用橋主梁常選用公路在上、鐵路在下的三主桁結(jié)構(gòu)形式。渝昆高速鐵路與川南城際鐵路并線共站后，采用川南城際鐵路外包渝昆高速鐵路的布置方式。該橋三主桁須增加線間距，線路過渡長約11 km。考慮公鐵同層可減小線間距、節(jié)約投資，公路橋面維修對鐵路無影響，還可降低公路橋面標(biāo)高、節(jié)能環(huán)保，且鋼箱梁外露表面少，后期養(yǎng)護(hù)量少等因素，最終主梁采用公鐵同層的鋼箱梁方案。4線高速鐵路設(shè)置在橋面中間，橋面兩側(cè)各布置3車道城市道路、人行道和非機(jī)動車道，如圖3所示。

圖3 宜賓臨港公鐵兩用長江大橋主橋斷面布置（單位：mm）

2.2 過塔方案比選

鋼箱梁過塔方案有3種：①梁部直接過塔；②慢行系統(tǒng)（非機(jī)動車道、人行道［1］）部分或全部下置［2-4］，見圖4（a）。③慢行系統(tǒng)（非機(jī)動車道、人行道）外繞橋塔［5-6］，見圖4（b）。

圖4 鋼箱梁過塔方案

由于該橋橋?qū)?3.9 m，梁部直接過塔會導(dǎo)致橋塔下橫梁跨度達(dá)到80 m，對結(jié)構(gòu)受力及施工均不利。因此，考慮慢行系統(tǒng)下置或外繞橋塔方案，二者對比見表1。可知，慢行系統(tǒng)非機(jī)動車道與人行道均下置或慢行系統(tǒng)外繞橋塔，穿塔處橋面寬度及橋塔下橫梁跨度較小。考慮行人視野、整體景觀效果等因素，最終確定慢行系統(tǒng)外繞橋塔方案。

表1 慢行系統(tǒng)下置方案與慢行系統(tǒng)外繞橋塔方案對比 m

2.3 慢行系統(tǒng)外繞橋塔方案設(shè)計(jì)

繞塔區(qū)采用縱橫梁體系，在轉(zhuǎn)彎處考慮非機(jī)動車轉(zhuǎn)彎半徑須要進(jìn)行局部加寬，縱梁采用I20b工字鋼，橫梁采用I28b工字鋼，橫梁下方壓桿采用箱形截面。橫梁及壓桿通過預(yù)埋鋼板和預(yù)埋件與橋塔連接。由于繞塔區(qū)人行道和非機(jī)動車道固定在橋塔上，其他位置人行道和非機(jī)動車道是固定在主梁上，在溫度、地震等作用下，主梁與橋塔有位移差。經(jīng)計(jì)算，繞塔區(qū)結(jié)構(gòu)與主梁橫向預(yù)留2 cm的伸縮縫，主梁與橋塔預(yù)留62.4 cm的縱向縫隙，見圖5。

圖5 慢行系統(tǒng)外繞橋塔方案平面和橫斷面（單位：mm）

選取慢行系統(tǒng)繞塔斷面最寬處，取4根橫梁范圍內(nèi)的縱橫梁體系，采用MIDAS/Civil建立有限元模型。

2.3.1 荷載

1）自重。考慮加勁肋及焊縫，自重系數(shù)取1.15。

2）二期恒載。人行道鋪裝5.8 kN/m2，非機(jī)動車道鋪裝5.6 kN/m2。U形排水槽及人行道欄桿3.2 kN。

3）非機(jī)動車及人行荷載。根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》4.3.6條，按標(biāo)準(zhǔn)值4kN/m2的均布荷載計(jì)算。

4）溫度荷載。按整體升降溫20℃考慮。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果

1）桿件應(yīng)力結(jié)果。主力作用下，Q345qD容許正應(yīng)力與剪應(yīng)力分別為210、120 MPa；主力+附加力作用下，則分別為273、156 MPa。在主力和主力+附加力作用下，縱橫梁的正應(yīng)力及剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2。可知，桿件應(yīng)力滿足要求。

2）穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。偏心受壓斜撐最大軸力N為175.3 kN，對應(yīng)彎矩M為13.6 kN·m。根據(jù)TB10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.2條計(jì)算偏心受壓斜撐穩(wěn)定性：工字鋼高度h=280 mm，毛截面面積Am=61 cm2，毛截面抵抗矩Wm=534 cm2。根據(jù)TB 10091—2017確定構(gòu)件計(jì)算長度L0=4.29 m，桿件長細(xì)比λ=4.29/0.28=15.3，則折減系數(shù)ψ1=0.9；x軸回轉(zhuǎn)半徑γx=11.1 cm，y軸回轉(zhuǎn)半徑γy=2.44 cm，α為系數(shù)，焊接桿件取1.8，鉚接桿件取2.0，換算長細(xì)比λe=αL0γx/（hγy）=125.5，則折減系數(shù)ψ2=0.41。

鋼材容許應(yīng)力［σ］為200 MPa，N/Am＞0.15ψ1［σ］，則考慮彎矩因構(gòu)件受壓的增大系數(shù)μ1=0.994。N/Am+ψ1M/（μ1ψ2Wm）=28.7+56.2=84.9 MPa＜ψ1［σ］，桿件穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3）撓度計(jì)算結(jié)果。對有限元模型施加最不利荷載，慢行系統(tǒng)外繞橋塔方案縱橫梁最大撓度為4.5 mm，根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄B要求，縱橫梁撓度容許值為L/150=124 mm，結(jié)構(gòu)撓度滿足要求。

3 結(jié)論

1）慢行系統(tǒng)外繞橋塔方案縱橫梁的應(yīng)力、穩(wěn)定性、撓度等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)受力安全可靠。

2）慢行系統(tǒng)外繞橋塔方案可有效減小主梁過塔寬度，從而減小下橫梁跨度，降低設(shè)計(jì)難度與施工風(fēng)險(xiǎn)。

3）慢行系統(tǒng)外繞橋塔方案整體外形流暢美觀、行人視野開闊、行車無壓抑感、整體氣動外形較優(yōu)、非機(jī)動車行車安全舒適、引橋凈高不受限。